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UTM 技术

发布日期:2020-06-29我要投稿我要评论

地面交通有行车道、人行道、红绿灯、交通安全法规等,确保了交通安全和效率之间的平衡。空中也需要这样一套管理系统来获得这种平衡。尤其是无人机迅猛发展,超低空将在不远的将来变得拥挤不堪。需要一套无人机融入低空空域的秩序管理系统,无人机系统交通管理(UTM)应运而生。

当前美国将空域划分为 A、B、C、D、E、G 六个等级,其中 A、B、C、D、E 级空域是受管制的,而航空器在 G 级空域里飞行完全不受限制。G 级空域主要是指从地面到 700 或 1200 英尺的超低空,在这个贴近地面的高度,由于地形原因使雷达无法覆盖, 所以也无管制可言。只要天气允许, 在 G 级空域的飞行是完全自由的,不需要无线电和应答器,也无须向任何组织申请或联系。商用飞机、滑翔机、直升机、气球等在 G 级空域中不受限制,而无人机恰恰就是在 G 级空域中飞行,这无疑大大增加了安全风险。

UTM 技术

美国空域划分表

FAA 早就想管理 G 级空域,无奈雷达难以覆盖。据 FAA 2016 年 5 月统计数据,美国已有大约 47 万个无人机注册用户。FAA 预测,2020 年后每年将有 270 万无人机登记注册。亚马逊公司估计,未来使用亚马逊无人机快递服务的订单量将达到 4000 万,每天将有 13 万无人机送快递。

低空飞行群体数量如此之庞大,必然会造成低空空域的拥挤和安全问题,如果没有管理,未来的低空将变得险象环生。为此 FAA 着手开发了一套无人机空中交通管理系统,将未来所有在美国上空飞行的无人机同UTM系统联网,以确保飞行效率并避免碰撞。

UTM 技术

UTM 是 NASA 为 FAA 设计的一套空中交通管理系统,也是十分关键的安全系统,它能够允许大量无人机同时在超低空飞行,而不会发生撞击事故。这套系统允许无人机操作员输入其飞行计划,并请求帮助清除飞行障碍,系统会合适该飞行计划,判断是否与其他无人机飞行计划有冲突,从而做出接受或拒绝的答复。有了 UTM,FAA 就能使用它来发布指令,约束在该空域飞行的无人机,以保证该空域的飞行安全。

UTM 在设计理念主要源于在超低空大规模无人机的运行安全,主要考虑以下三个方面:一是要确保地区和国家安全,不能对白宫、机场等要地构成威胁;二是保证所在的空域安全,小无人机跟传统航空器并存的情况下,小无人机的操作安全至关重要;三是要保证经济利益。利用超低空开展商业、公共安全和个人应用,将带来巨大的经济效益,不能因为安全问题就完全放弃经济利益。

综合考虑,要在安全和经济利益之间必须取得一个最佳的平衡,这就是 UTM 系统研发的出发点。

UTM 的设计

NASA 的研究人员最初想在每个无人机上安装监测和避障装置,来躲避其他飞行器和恶劣天气。但是这些装置往往笨重又昂贵,无人机本身难以负载,无人机使用者也难以承担高昂的费用。因此,研究人员将 UTM 设计为一套能够与无人机和现有航空管制系统进行交互的软件系统,而非装在无人机上的硬件。该系统将兼容包括固定翼飞机、旋翼机、无人机等不同类型航空器,对这些航空器精确建模、与不同类型的航空器通信都十分具有挑战性。

NASA 的研究人员定了两个设计原则:一是结构尽可能灵活,二是在满足性能需求的同时尽可能降低风险。研究人员提出UTM的架构如下:

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在 UTM 的架构中,UTM 由监管方 FAA 操作,与国家空域系统(ATM)交互,并提供指令、限制给无人机服务供应商,最终传送至无人机。无人机操作员和无人机服务提供商密切合作,以满足所有的监管指令。监管方FAA能够访问所有的操作,从而判断是否会对国家空域系统造成影响。

UTM 主要涉及三个利益相关方,监管方、无人机操作方、无人机服务供应商,其角色和责任划分如下表:

UTM 技术

UTM 的发展规划

NASA 的研究人员为 UTM 规划了四个等级的技术成熟度,并设立时间节点,如下图示:

UTM 技术

UTM 技术成熟度,来源 NASA

技术成熟度 1 已于 2015 年 8 月完成测试,实现低密度空域的视距内信息共享,满足农业、消防和基础设施监控使用。在这个等级中,无人机操作员遇到冲突时将手动调整计划和空域。UTM 系统开发商之一洛克希德·马丁公司宣布其 UTM 系统的第一个组成部分:飞行计划在线报告系统投入使用,该系统与 FAA 的国家空域系统直接连接。其应用场景如下图:

UTM 技术

技术成熟度 1 的应用场景图

技术成熟度 2 于 2016 年 4 月完成测试,可以实现超视距运行,跟踪低密度的操作,分享飞行意图,设立地理围栏等。2016 年4 月 19 日,NASA 使用 FAA 位于阿拉斯加州、北达科他州、内华达州、纽约州、弗吉尼亚州和马里兰州的六个无人机测试基地进行了 UTM 的技术成熟度 2 测试。在三个小时的测试中,包括航空环境公司美洲豹 AE 小型无人机和灵巧指挥控制(SmartC2)公司多种小型无人机在内的 17 种无人机和 8 种软件客户端的 102 个飞行操作连接到 UTM 平台,同时与交通模拟平台进行无缝交互。在测试的第一个小时,最高时有 20 架无人机被允许同时飞行,第二小时达到 33 架,第三小时达到 43 架。飞行验证和外场试验取得巨大成果,验证了 UTM 在人烟稀少地区超视距飞行时可动态调整空域可用性和应急管理的关键技术。

UTM 技术

无人机接受 UTM 监管飞行的测试实例

UTM 技术

2016 年 UTM 测试试验时的控制中心

技术成熟度 3 计划 2018 年 1 月测试,进行常态超视距运行,空中 V2V 防撞,规避静态障碍物。在人口密度较大的地区,对合作和不合作的无人机具备跟踪能力,确保载人和无人航空器的运行安全。示意图如下:

UTM 技术

技术成熟度 3 应用场景图

技术成熟度 4测试日期待定,城市复杂超视距,跟踪和定位,规避动态障碍物,在高密度的城市地区完成如壹定发官网登陆采集和送货等操作,并可满足大规模的应急需求。示意图如下:

UTM 技术

技术成熟度 4 应用场景图

UTM 系统已经开发了有段时日,目前已进展到技术成熟度 2-3 之间,NASA 表示在 2019 年会将更深入的研发和测试结果提交给 FAA。

毫无疑问,这个系统是商用无人机顺利引入美国空域管理的关键,其研发成功将大幅推进美国无人机的商业应用。亚马逊和谷歌为了加速无人机相关法规的制定,也在研发自己的无人机空中管理系统。可以预见的是,美国距离无人机规模化应用已经不远。

 
本文链接:https://www.4008120860.com/uav-news/202006/29/71189.html
标签:  UTM
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